УДИВИТЕЛЬНЫЕ ЭКЗОПЛАНЕТЫ: ТАТУИНЫ, ГОРЯЧИЕ ЮПИТЕРЫ И МИРЫ ДЛЯ ХТОНИЧЕСКИХ ЖИТЕЛЕЙ

➤ УДИВИТЕЛЬНЫЕ ЭКЗОПЛАНЕТЫ: ТАТУИНЫ, ГОРЯЧИЕ ЮПИТЕРЫ И МИРЫ ДЛЯ ХТОНИЧЕСКИХ ЖИТЕЛЕЙ

С 1995 года астрономы начали открывать экзопланеты — планеты, находящиеся вокруг других звёзд. Ранее существовало два мнения. Первое заключалось в том, что наша Солнечная система особенная и экзопланет крайне мало. Второе — что их много, но они напоминают объекты, которые мы уже наблюдали в нашей системе. Однако первые открытия оказались настоящим шоком для ученых. Вселенная явно приготовила для нас множество сюрпризов, и экзопланетные системы настолько удивительны и разнообразны, что любая модель, созданная как учеными, так и фантастами, по сравнению с ними выглядит просто смехотворно.

➤ Горячие миры

Считается, что первую экзопланету открыли в 1995 году швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело из Женевского университета, что в дальнейшем привело их к получению Нобелевской премии по физике в 2019 году. Но на самом деле, если убрать все ранее не подтверждённые сообщения об открытиях экзопланет, то «первенство» принадлежит польскому радиоастроному Александру Вольщану.

В 1991 году, работая в обсерватории Аресибо, он заметил странности в излучении пульсара PSR 1257+12, который находится на расстоянии около 2300 световых лет в созвездии Девы. Чередующиеся сигналы от пульсара наталкивали на мысль, что вокруг него вращается какое-то тело, вливающееся в поток излучения. Открытие Вольщана было подтверждено независимыми наблюдениями канадского астронома Дейла Фрейла. Годом позже они совместно опубликовали статью, в которой сообщалось о по меньшей мере двух планетах, каждая из которых в четыре раза тяжелее Земли. Позже была выявлена ещё одна планета.

Но почему же открытие Вольщана осталось в тени, а Нобелевскую премию получили швейцарцы? Всё дело в том, что Вольщан открыл «неправильные» планеты. Пульсары появляются после взрыва сверхновых и уничтожают свою планетную систему: все планеты либо испаряются, либо разлетаются в космосе. Это означает, что планеты, которые распознал Вольщан, возникли совсем недавно (примерно 800 миллионов лет назад) из остатков погибшей звезды-соседа, которая была сопоставимого размера и располагалась довольно близко. Так возникновение планетной системы вокруг PSR 1257+12 — это не обычное явление, а крайне редкий случай, который никак не говорит о широкой распространённости экзопланет в Вселенной.

Кроме того, открытие Вольщана, по сути, было делом удачи, тогда как его швейцарские коллеги целенаправленно искали экзопланеты с использованием проверенного метода — измерением доплеровских сдвигов в скорости звезды. Этот подход основан на простом принципе: когда звезда приближается к нам, её световые волны сдвигаются к синему спектру, а когда удаляется — к красному. Если улучшить точность приборов, можно заметить изменения, связанные с движением звезды не только относительно Земли, но и по отношению к центру масс (барицентру) её планетной системы.

Мишель Майор и его ассистент Дидье Кело работали с телескопом обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции. Они провели 12 измерений скорости звезды 51 Пегаса (Гельветиос). Изменения в её спектре указывали на существование спутника, но когда попытались рассчитать его физические характеристики, наткнулись на абсурдное открытие: предполагаемая экзопланета оказалась гигантом. В нашей Солнечной системе такие планеты обитают на дальних орбитах, а тут обнаруженное тело находилось в 20 раз ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу! Этот факт разрушал устаревшие теории астрофизиков о том, как должны формироваться окружения звёзд.

➤ Исследование аномалий

Майор решил ещё раз проверить свои результаты и провел новую серию наблюдений в июне 1995 года. Все данные подтвердились, но некоторые коллеги решили, что аномалия в лучевой скорости звезды 51 Пегаса могла быть вызвана не планетами, а пульсацией её оболочки. Однако при моделировании было показано, что в случае пульсаций спектральные линии должны были бы изменяться, но этого не произошло. Таким образом, существование экзопланеты, получившей имя Димидий, было уверенно подтверждено.

➤ Горячие гиганты среди нас

Открытие швейцарских ученых ознаменовало появление нового класса планет-гигантов, находящихся близко к своим звёздам, — горячих юпитеров, или пегасидов. Логично, что на начальном этапе изучения экзопланет именно такие миры легче всего заметить, поэтому тут проявилась приборная селекция. В настоящее время зарегистрировано более 5000 экзопланет, из которых почти треть составляют горячие юпитеры. Появилась даже гипотеза, что системы с такими планетами — это не исключение, а скорее правило.

➤ Как же они появились?

Но встает вопрос: как же эти планеты могли возникнуть? Существует несколько теорий. Согласно гипотезе миграции, горячий юпитер формируется на удаленной границе системы, и под влиянием гравитационных взаимодействий с другими массивными телами его орбита становится вытянутой и нестабильной. Однако гравитация звезды стабилизирует орбиту планеты, делая её более круговой и сокращая радиус. Существует также версия, что горячий юпитер замедляется в плотном протопланетном диске, постепенно "падая" к звезде.

Гипотеза in situ (от лат. «на месте») утверждает, что горячие юпитеры образовались именно там, где они сейчас находятся, и имеют плотные крупные ядра. Хотя это теоретически возможно, многие ученые скептически относятся к этой гипотезе, так как она противоречит традиционным представлениям о развитии протопланетных дисков.

Когда-то полагали, что при миграции к центральному светилу горячие юпитеры уничтожают все молодые планеты на близких орбитах, поэтому нахождение землеподобных миров рядом с ними добавляло доказательств гипотезе in situ. Ярким примером может служить система солнечного типа WASP-47: она удалена от нас на 870 световых лет в созвездии Водолея и походит на Солнце. В 2012 году международная команда ученых, исследующая экзопланеты с помощью фотометрической регистрации колебаний яркости звёзд, обнаружила у WASP-47 горячий юпитер. Его масса в 363 раза больше земной, а полный оборот вокруг светила он совершает всего за четыре дня. Но это еще не всё: позже в системе нашли три других объекта: гигант массой 399 земных с периодом обращения 589 суток, каменную планету массой 13 земных и периодом 9 суток и спутник первой планеты весом почти 7 земных.

Согласно теории миграции такие системы просто не могут существовать. Тем не менее, симуляции показали, что если огромная планета переместилась бы на раннем этапе развития протопланетного диска, она не поглотила бы все близлежащие вещества. В результате осталось бы достаточно материала, чтобы сформировались планеты меньших размеров.

➤ Удивительный мир хтонических планет

Горячие юпитеры — это планеты, которые вызывают много вопросов. Некоторые из них настолько массивные, что на их поверхности может происходить синтез дейтерия — процесс, который превращает планету в нечто похожее на коричневый карлик, такой себе мини-звездочка.

Эти планеты вращаются вокруг звезды так, что всегда показывают ей одну и ту же сторону, благодаря мощным приливным силам. Из-за разницы температур между светлой и тёмной стороной, достигающей почти 230 °C, в атмосфере горячих юпитеров должны идти невероятные шторма, которые переносят тепло в холодные области. Однако, атмосфера у них довольно незначительная, и поэтому такие экзопланеты иногда называют «пухлыми». Это связано с тем, что близкое расстояние к звезде вызывает «раздутие» атмосферы, увеличивая видимый размер планеты.

Считается, что со временем горячие юпитеры теряют свою газовую оболочку под действием солнечного ветра, оставляя после себя только каменистое или металлическое ядро. Эти остатки планет учёные относят к классу хтонических экзопланет. Хотя наличие таких миров пока не подтверждено, кандидаты на это звание уже есть. Например, у звезды CoRoT-7 в созвездии Единорога, удалённой на 489 световых лет от нас, обнаружена планета, вес которой в 6 раз превышает земной, а период её обращения — 20 часов. Некоторые считывают это как остатки планеты-гиганта, но тут есть и скептики, которые указывают на то, что звезда сама ещё молода — всего около 2 миллиардов лет, и «сдуть» атмосферу у неё просто не было времени.

Другой претендент на ктоническую роль обитает рядом со звёздой TOI-849, находящейся в 734 световых годах от нас. Эта планета в 40 раз тяжелее Земли и обращается вокруг своей звезды за 18 часов. Возраст звезды составляет порядка 7 миллиардов лет — достаточно, чтобы планета потеряла свою атмосферу.

Некоторые горячие юпитеры теряют газовую оболочку практически на глазах учёных. Самый известный из них — экзопланета Осирис. Она была открыта в ноябре 1999 года и вращается вокруг звезды HD 209458, находящейся в 159 световых лет от нас в созвездии Пегаса. Масса Осириса меньше, чем у Юпитера, но она всё равно считается гигантской планетой. На ней год длится всего 3,5 земных суток, а температура на поверхности колеблется около 1000 °C. Атмосфера Осириса активно испаряется под воздействием солнечного ветра, образуя хвост длиной 200 000 километров. Это позволяет учёным использовать спектроскопические методы для изучения атмосферы экзопланеты и выявления в ней различных химических элементов, а также составлять карты облачного покрова.

➤ Удивительные странности природы

Кроме горячих юпитеров, астрономы выделяют и другие типы экзопланет, каждый со своими уникальными чертами. Здесь можно встретить как холодных, так и горячих нептунов, супервенеры, суперземли, мегаземли, гикеаны, бланеты, протопланеты, планеты-сироты и много других экзотических объектов.

Некоторые из этих открытий стали настоящим шоком для учёных и заставили их пересмотреть старые теории астрономии. Например, долгое время считалось, что планеты в системах с двумя звёздами — это миф. Однако сейчас известно о 11 таких экзопланетах, которых часто называют татуинами, в честь одного из небезызвестных миров из «Звёздных войн». Первой из них, Kepler-16b, обнаружили в сентябре 2011 года с помощью космического телескопа «Кеплер». Этот татуин находится в созвездии Лебедя, примерно в 245 световых лет от Земли. Планета обращается по круговой орбите вокруг пары молодых звёзд за 229 земных суток. Данный газовый гигант по массе сопоставим с Сатурном и располагается на краю обитаемой зоны системы, что даёт некоторую надежду на возможность жизни на его спутниках, если таковые существуют.

Kepler-16b стал наиболее изученным татуином. Однако учёные столкнулись с одной загадкой, которая поставила их в тупик при моделировании его развития. Для стабильной орбиты планеты в течение 2 миллиардов лет (таков предполагаемый возраст системы) радиус её орбиты должен быть как минимум в семь раз больше расстояния между звёздами в паре; но на практике радиус оказался вдвое меньше. Если бы татуин переместился издалека, его орбита была бы вытянутой, но она круговая. Несмотря на активные попытки теоретиков разгадать тайну эволюции этого экзопланетного «братца», разгадка пока ускользает.

Некоторые учёные несколько раз заявляли, что нашли экзопланету в системе с тремя звёздами, но вскоре наблюдения показывали, что это не так. В сентябре 2020 года астрономы из Европейской южной обсерватории сообщили, что после 11 лет наблюдений им удалось получить прямые доказательства наличия мощного протопланетного диска в тройной звёздной системе GW Orionis, расположенной в созвездии Ориона. Диск состоит из трёх колец, размещённых на расстояниях 46, 188 и 338 астрономических единиц от центра, и кольца наклонены друг к другу. Ученым было сложно понять, как могла образоваться такая странная система, но через год им удалось зафиксировать молодую планету-гиганта, которая вращается сразу вокруг трёх звёзд и поглощает материал из протопланетного диска. Возможно, там скрываются и другие экзопланеты, которые с помощью своей гравитации и создали столь необычную форму колец.

➤ Далекие странники в космосе

Одним из самых загадочных типов экзопланет являются так называемые планеты-сироты. Это межзвёздные объекты, имеющие планетарную массу, но не привязанные к каким-либо звёздам. По расчетам учёных, в нашей галактике может скрываться до триллиона таких "сирот".

Считалось, что обнаружить такую экзопланету невероятно сложно, и вообще, возможно ли это. Но в 2004 году команда исследователей под руководством Кевина Лумана из Университета штата Пенсильвания заявила, что нашла возможного представителя этого класса. Это был загадочный объект в созвездии Хамелеона, масса которого в восемь раз превышает массу Юпитера, и который окружён чем-то, напоминающим протопланетный диск или группу спутников. У объекта появилось имя — Cha 110913–773444. Однако Луман не рискнул назвать его экзопланетой и отнёс к субкоричневым карликам. Споры о классификации этого объекта продолжаются и по сей день — так что работать с наукой весело, не правда ли?

В ноябре 2012 года Филипп Делорм и его команда из Института планетологии и астрофизики в Гренобле во Франции сообщили об обнаружении объекта CFBD-SIR J214947.2–040308.9 в созвездии Водолея. У него довольно высокая температура поверхности — около 500 °C, и масса достигает 12 юпитерианских. Спектроскопические анализы подтвердили наличие атмосферы с метаном и водой. Хотя все параметры позволяют относить этот объект к гипотетическим "сиротам", Делорм не спешит с выводами: вероятно, он связан гравитацией с группой звёзд AB Золотой Рыбы.

В 2013 году команда Майкла Лю из Института астрономии Гавайского университета обнаружила движущийся объект PSO J318.5–22 в группе звёзд Бета Живописца. Он имеет массу, в 6,5 раз превышающую юпитерианскую, и температуру поверхности около 1000 °C. Кроме того, его окружает облако раскаленной пыли и расплавленного железа. Предполагается, что этот объект возник всего 12 миллионов лет назад — для Вселенной это почти что вчера.

Лю отметил, что данный объект демонстрирует все признаки молодых экзопланет, найденных вокруг звёзд, но движется по космосу в полном одиночестве. Он почти идеальный кандидат на звание планеты-сироты.

➤ Далеко за горизонтом

Кажется удивительным, но с помощью современных методов астрофизики возможно обнаруживать экзопланеты даже в других галактиках! Прямо увидеть их не удаётся из-за огромных расстояний, но по косвенным данным можно подтвердить их существование.

Самыми удалёнными из найденных объектов стали два горячих юпитера — SWEEPS-04 и SWEEPS-11, которые находятся в созвездии Стрельца и удалены от нас на 27 710 световых лет. Пока что дальше наши инструменты не могут заглянуть.

Тем не менее, учёные научились применять гравитационное линзирование — эффект, при котором массивное тело искажает и усиливает свет более далёкого объекта. Однако, линзирование экзопланет происходит лишь раз, ведь они движутся по своим орбитам вокруг звёзд, которые тоже меняют своё положение относительно Земли.

Первое зарегистрированное событие произошло в 1996 году, когда американский астрофизик Рудольф Шильд заметил аномалию в свете двойного квазара QSO 0957+561 A/B. Свет квазара был линзирован эллиптической галактикой YGKOW G1, расположенной почти в 4 миллиардах световых лет от нас. Исследователи предположили, что аномалия указывает на планету с массой в три земных, находящуюся в этой далёкой галактике.

В 1999 году произошло похожее событие в направлении галактики Андромеда. Одна из звёзд в ней линзировала красный гигант за ней, и аномалия указывала на экзопланету с массой шесть юпитерианских.

Позже учёные обнаружили ещё два подобных события. Это даёт нам основание полагать, что наша галактика не единственная с экзопланетами, и они присутствуют в каждом уголке Вселенной — как минимум там, где светят звёзды.

Наука позволила выявить тысячи миров в нашей галактике и несколько за её пределами. В ближайшем будущем откроются ещё тысячи, а может, и десятки тысяч. Пока мы знаем о них немного, ведь между нами и ими простираются бездонные пространства. Но одно стало ясно: планеты в Солнечной системе не единственные, и существуют более странные и необычные миры. Изучая эти планеты, мы можем взглянуть на нашу собственную Землю по-новому и понять, какое она занимает место во Вселенной. И это место отнюдь не последнее: без нас, кто бы там размышлял о далеких мирах? Но не стоит слишком обольщаться — ведь одно дело мечтать о звёздах, а другое — ползти